多頻外輻射源雷達(dá)無人機(jī)探測實驗研究

(1.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院， 湖北武漢 430072； 2.同方電子科技有限公司， 江西九江 332007)

0 引言

近年來，隨著無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，無人機(jī)在軍事和民用領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。但由于相關(guān)法規(guī)尚不健全，監(jiān)管缺失，無人機(jī)“黑飛”事件屢屢發(fā)生，給民航機(jī)場、敏感目標(biāo)以及重大活動安全保障帶來了嚴(yán)重隱患。解決無人機(jī)的監(jiān)控與管制問題已日益成為維護(hù)國家、公眾安全和社會安全的重要保障[1]。目前，針對該“低慢小”目標(biāo)的監(jiān)控手段主要包括無線電偵測、飛控協(xié)議偵聽、主動雷達(dá)、光電紅外、多照射源被動雷達(dá)等[2]。其中外輻射源雷達(dá)作為一種綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)安全的被動式探測手段近年來獲得學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[3-7]。它是一種利用第三方發(fā)射的電磁信號來探測目標(biāo)的新體制雷達(dá)[8]。目前可利用的輻射源非常廣泛，包括FM廣播、DAB、DVB-T、DTMB、CMMB、LTE、WiFi等多種類型[9-14]。相關(guān)的實驗報道也證實了該體制雷達(dá)利用不同頻率信號探測無人機(jī)的可行性。文獻(xiàn)[15]中利用1.8 GHz的GSM信號成功探測到無人機(jī)，文獻(xiàn)[16]借助3G移動信號，研究了無人機(jī)在不同飛行狀態(tài)時的多普勒特性，文獻(xiàn)[17]基于數(shù)字電視信號開展了無人機(jī)探測實驗并成功連續(xù)地探測到目標(biāo)。不同頻率的照射源在距離覆蓋、分辨率性能和應(yīng)用環(huán)境上有各自獨特的優(yōu)勢。豐富多樣的照射源也為外輻射源雷達(dá)向多頻體制發(fā)展提供了便利。

對UHF頻段信號而言，無人機(jī)尺寸一般與波長相當(dāng)，處于散射能量的諧振區(qū)。無人機(jī)運動姿態(tài)或航向較小的變化也會引起雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section,RCS)的顯著變化，使得回波信噪比出現(xiàn)較大幅度起伏。而且由于無人機(jī)體積小、機(jī)動性強(qiáng)、飛行高度低，回波功率也容易受到入射角度、地面反射、建筑物遮擋等因素影響，導(dǎo)致雷達(dá)在探測穩(wěn)定性和跟蹤連續(xù)性上表現(xiàn)出不足。根據(jù)RCS隨頻率變化的特點，多頻融合在提高目標(biāo)檢測概率方面存在優(yōu)勢，多個頻率檢測結(jié)果融合可實現(xiàn)點跡互補(bǔ)。而且利用不同發(fā)射站的多個頻率信息，還可以提高目標(biāo)定位精度，增加航跡連續(xù)性。

本文圍繞多頻外輻射源雷達(dá)無人機(jī)探測實驗展開討論。首先建立無人機(jī)三維模型，仿真其RCS頻率特性，然后提出了針對無人機(jī)探測的多頻檢測方法。最后結(jié)合仿真和實測結(jié)果分析了飛行姿態(tài)、信號頻率等因素對無人機(jī)RCS和回波信噪比的影響。

1 無人機(jī)三維建模與RCS仿真

RCS是實現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)探測、分析回波特性的重要參數(shù)，它與目標(biāo)的材質(zhì)和尺寸有關(guān)，并且會隨著雷達(dá)觀測角度和頻率發(fā)生變化[18]。對于形態(tài)復(fù)雜的目標(biāo)，可以認(rèn)為由多個獨立的散射體組成，各個部分之間沒有相互作用，此時目標(biāo)總的RCS就是各部分RCS的矢量和。假設(shè)第i個散射體到雷達(dá)的距離為Ri(θ)，相應(yīng)的RCS為σi，則目標(biāo)總的RCS為

(1)

從式(1)可知，照射源頻率會對每個獨立小散射體的RCS產(chǎn)生影響。將上述的RCS幅值代入雷達(dá)方程，便能大致估算目標(biāo)回波信號強(qiáng)度。雙基地雷達(dá)測量所得到目標(biāo)回波功率可表示為

(2)

式中：Pt為平均發(fā)射功率;Gt，Gr分別為發(fā)射天線和接收天線增益;λ為波長;σ為雙基地雷達(dá)目標(biāo)RCS;Rt為目標(biāo)到發(fā)射站的距離;Rr為目標(biāo)到接收站的距離。從式(2)可知，照射源頻率除了會影響無人機(jī)的RCS從而影響回波功率外，還將直接影響到雷達(dá)接收功率的大小。

在實際飛行過程中，無人機(jī)的RCS是關(guān)于頻率和角度的復(fù)雜函數(shù)，一般通過電磁仿真軟件計算或者在微波暗室中測量。目前國內(nèi)外關(guān)于無人機(jī)RCS的研究主要集中在靜態(tài)測量和仿真[19-21]。本文利用電磁仿真軟件對大疆精靈四無人機(jī)建模，如圖1所示。機(jī)身和槳葉采用塑料材質(zhì)(聚苯乙烯)，介電常數(shù)分別設(shè)置為2.4和3。轉(zhuǎn)動的電機(jī)為理想金屬，通過在無人機(jī)內(nèi)添加金屬材質(zhì)以模擬機(jī)身內(nèi)部導(dǎo)線、PCB板、支架和天線等器件。基于圖2的空間坐標(biāo)系對無人機(jī)仿真，設(shè)定發(fā)射站方位角φT=184.60°,θT=89.13°，接收站方位角φR=123.48°，θR=93.97°。無人機(jī)位于坐標(biāo)原點處，俯仰角Pitch=0°，翻滾角Roll=0°，航偏角Yaw從0°逐漸旋轉(zhuǎn)到180°，得到圖3不同頻率下RCS-角度掃描結(jié)果。仿真結(jié)果顯示，在UHF波段內(nèi)，同一飛行角度下不同頻率間RCS差別較大，且角度變化時不同頻率的RCS變化趨勢也不盡相同。因此從目標(biāo)散射特性出發(fā)，多頻探測相比常規(guī)的單頻探測而言更能克服RCS起伏所帶來的影響。

圖1 無人機(jī)三維建模

圖2 無人機(jī)電磁仿真坐標(biāo)系

圖3 無人機(jī)RCS隨航偏角變化仿真結(jié)果

2 多頻檢測方法

多頻信號檢測，一般要求同一個目標(biāo)在不同頻率的距離多普勒譜上有相同的距離單元和多普勒單元。在數(shù)字電視外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)中，電視信號帶寬均為8 MHz，因此不同頻率信號的距離分辨率相同。但由于目標(biāo)運動引起的多普勒頻移為

(3)

式中，v表示目標(biāo)速度，f表示信號頻率，β表示雙基地角，δ表示目標(biāo)速度方向與雙基地角平分線的夾角。由式(3)可知，對于不同頻率入射信號，目標(biāo)的多普勒頻移不相等。考慮多個頻率的情況，式(3)可寫成：

(4)

式中，Tm表示第m個頻率的積累時間，pm表示第m個頻率的多普勒分辨單元。為滿足不同頻率的多普勒分辨率相等，即p0=p1=…=pM-1，積累時間Tm需滿足下式：

T0f0=T1f1=…=TM-1fM-1

(5)

(6)

圖4 多頻檢測方法示意圖

3 實驗結(jié)果

3.1 實驗方案與配置

武漢大學(xué)利用數(shù)字電視外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)開展了無人機(jī)多頻探測實驗。實驗場景和配置如圖5所示。發(fā)射站為武漢龜山電視塔(發(fā)射546 MHz和618 MHz電視信號，均為8 MHz帶寬)，接收站距離發(fā)射站北偏東104.4°，7.5 km處。參考天線對準(zhǔn)龜山發(fā)射站，監(jiān)測陣列指向北偏東60°的探測區(qū)域。雷達(dá)接收系統(tǒng)配置為多頻工作模式，同時采集546 MHz和618 MHz的電視信號。使用大疆精靈四無人機(jī)作為合作目標(biāo)在雷達(dá)陣列前方飛行，同時記錄下無人機(jī)GPS飛行軌跡用于和雷達(dá)檢測結(jié)果對比。

圖5 無人機(jī)多頻探測實驗場景

3.2 實驗結(jié)果分析

圖6(a)、(b)分別為第80 s，546 MHz和618 MHz目標(biāo)的多普勒譜，此時無人機(jī)正變速轉(zhuǎn)向，飛行姿態(tài)變化較大。546 MHz的多普勒譜上目標(biāo)的信噪比微弱，已淹沒在雜波當(dāng)中；618 MHz的多普勒譜上仍能明顯地觀測到目標(biāo)。此時僅利用546 MHz的電視信號已無法正常檢測出目標(biāo)峰值，可利用618 MHz檢測結(jié)果進(jìn)行信息互補(bǔ)，提高檢測概率并且保持點跡連續(xù)性。

(a) 546 MHz目標(biāo)多普勒譜

(b) 618 MHz目標(biāo)多普勒譜圖6 第80 s 546 MHz和618 MHz處理結(jié)果

將GPS記錄的無人機(jī)距離和姿態(tài)角信息，代入第1節(jié)的三維模型中，仿真得到圖7無人機(jī)實際飛行時的RCS變化曲線。結(jié)合圖8的姿態(tài)角信息可發(fā)現(xiàn)，平穩(wěn)直線飛行時546 MHz的RCS要大于618 MHz的RCS。在第76～95 s無人機(jī)轉(zhuǎn)向時由于Yaw和Pitch角發(fā)生了劇烈變化，兩個頻率的RCS仿真結(jié)果均出現(xiàn)了較大幅度起伏，此時兩者的RCS幅值趨于相同。仿真結(jié)果表明，不同頻率信號入射時無人機(jī)的RCS會有明顯差異，而且飛行姿態(tài)變化時也會使RCS發(fā)生波動。

圖7 不同頻率RCS仿真結(jié)果

圖8 無人機(jī)姿態(tài)角變化情況

進(jìn)一步分析不同頻率下無人機(jī)的回波特性，將仿真得到的RCS結(jié)果、雙基距離、系統(tǒng)增益等信息代入到第2節(jié)的回波信號模型中，得到圖9的信噪比仿真曲線，與圖10的無人機(jī)實測信噪比曲線比較，兩者的變化趨勢基本吻合。在近距離直線飛行時，由于低頻信號的RCS更大、傳播損耗更小，546 MHz的目標(biāo)信噪比明顯高于618 MHz。隨著無人機(jī)逐漸遠(yuǎn)離收發(fā)站，兩個頻率的信噪比逐漸趨于一致，甚至?xí)霈F(xiàn)618 MHz信噪比略高于546 MHz的情況。在無人機(jī)轉(zhuǎn)向時，546 MHz和618 MHz的RCS均出現(xiàn)大幅度起伏，目標(biāo)信噪比也因此發(fā)生了抖動。

圖9 無人機(jī)信噪比仿真結(jié)果

圖10 雷達(dá)檢測目標(biāo)信噪比

采用第2節(jié)所述的多頻檢測方法，將融合后點

跡與無人機(jī)GPS飛行航跡對比，結(jié)果如圖11所示。無人機(jī)從第1～75 s逐漸遠(yuǎn)離接收站，在第76～ 95 s之間拐彎轉(zhuǎn)向，在第96 s以后逐漸返回接收站。圖11(a)中雷達(dá)檢測結(jié)果與無人機(jī)GPS記錄的航跡基本吻合，圖11(b)、(c)中目標(biāo)運動規(guī)律與無人機(jī)一致，兩頻率融合后能較連續(xù)地檢測到目標(biāo)，證明了多頻探測的有效性。圖12(a)為扣除距離因素后546 MHz 和618 MHz 的信噪比，圖12(b)為多頻檢測后目標(biāo)信噪比。相比單個頻率的結(jié)果，多頻檢測具有頻率互補(bǔ)的優(yōu)勢，融合后目標(biāo)信噪比更為平穩(wěn)，能更好地緩解照射源頻率、無人機(jī)姿態(tài)變化等因素對目標(biāo)RCS和信噪比的影響。

圖11 多頻檢測點跡與無人機(jī)GPS航跡對比結(jié)果

(a) 546 MHz和 618 MHz目標(biāo)信噪比

(b) 多頻檢測目標(biāo)信噪比圖12 補(bǔ)償距離因素后目標(biāo)信噪比

4 結(jié)束語

本文從目標(biāo)散射特性出發(fā)研究了不同頻率照射源探測性能上的差異，并利用多頻檢測方法優(yōu)化了檢測結(jié)果。實測結(jié)果表明，利用多個頻率的檢測結(jié)果進(jìn)行融合，相比于單頻檢測而言可以使目標(biāo)信噪比更加平穩(wěn)，使雷達(dá)探測性能更加穩(wěn)定。后續(xù)將利用更多發(fā)射站的不同頻率照射源開展無人機(jī)探測實驗，優(yōu)化多頻融合算法，進(jìn)一步提高雷達(dá)探測性能。